JP2013138193A - Heat sink and electronic component device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱部材に生じる熱を放熱するためのヒートシンクおよびこのヒートシンクを備えた電子部品装置に関する。 The present invention relates to a heat sink for dissipating heat generated in a heat generating member and an electronic component device including the heat sink.
近年、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)素子,金属酸化膜型電界効果トランジスタ(MOSFET)素子,発光ダイオード(LED)素子,フリーホイーリングダイオード(FWD)素子,ジャイアント・トランジスタ(GTR)素子等の半導体素子、昇華型サーマルプリンタヘッド素子,サーマルインクジェットプリンタヘッド素子およびペルチェ素子等の各種電子部品が回路基板の回路部材上に搭載された電子装置が用いられている。 In recent years, insulated gate bipolar transistor (IGBT) devices, metal oxide field effect transistor (MOSFET) devices, light emitting diode (LED) devices, freewheeling diode (FWD) devices, giant transistor (GTR) devices, etc. An electronic device in which various electronic components such as a semiconductor element, a sublimation type thermal printer head element, a thermal ink jet printer head element, and a Peltier element are mounted on a circuit member of a circuit board is used.
このような電子部品を搭載する回路部材を設けてなる回路基板は、例えば、絶縁性のセラミック焼結体からなる支持基板において、一方の主面には銅を主成分とする回路部材が、支持基板を介して他方の主面には、複数のフィンを備えるヒートシンクである放熱部材が接合されている。 A circuit board provided with a circuit member for mounting such electronic components is, for example, a support substrate made of an insulating ceramic sintered body, and a circuit member mainly composed of copper is supported on one main surface. A heat radiating member, which is a heat sink having a plurality of fins, is joined to the other main surface via the substrate.
このようなヒートシンクとしては、例えば、特許文献1では、平面形状のフィンを備える放熱構造体が例示されている。 As such a heat sink, for example, Patent Document 1 exemplifies a heat dissipation structure including planar fins.
ところで、特に近年は、電子部品の小型化に伴い、電子部品を効率良く冷却できるヒートシンクや、それを備える電子部品装置が要求されている。 By the way, particularly in recent years, with the miniaturization of electronic components, there has been a demand for a heat sink capable of efficiently cooling the electronic components and an electronic component device including the heat sink.
それゆえ本発明は、放熱特性の向上したヒートシンクおよびこのヒートシンクを備えた電子部品装置を提供することを目的とするものである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a heat sink with improved heat dissipation characteristics and an electronic component device including the heat sink.
本発明のヒートシンクは、発熱部材が載置される基体と、該基体の前記発熱部材が載置される面と反対側の面に接合され、間隔をあけて複数個が配置された柱状のフィンとを備え、該フィンは、隣り合う前記フィンと対向する部位に、凹部および凸部のうち少なくとも一方を有することを特徴とするものである。 The heat sink of the present invention is a columnar fin that is bonded to a base on which a heat generating member is placed and a surface of the base opposite to the surface on which the heat generating member is placed, and a plurality of them are arranged at intervals. The fin has at least one of a concave portion and a convex portion at a portion facing the adjacent fin.
また、本発明の電子部品装置は、上記構成のヒートシンクに、電子部品を搭載してなることを特徴とするものである。 The electronic component device of the present invention is characterized in that an electronic component is mounted on the heat sink having the above-described configuration.
本発明のヒートシンクは、発熱部材が載置される基体と、該基体の前記発熱部材が載置される面と反対側の面に接合され、間隔をあけて複数個が配置された柱状のフィンとを備え、該フィンは、隣り合う前記フィンと対向する部位に、凹部および凸部のうち少なくとも一方を有することから、フィンの放熱可能な表面積が増えるので、放熱特性を向上することができる。 The heat sink of the present invention is a columnar fin that is bonded to a base on which a heat generating member is placed and a surface of the base opposite to the surface on which the heat generating member is placed, and a plurality of them are arranged at intervals. Since the fin has at least one of the concave portion and the convex portion at a portion facing the adjacent fin, the surface area of the fin that can dissipate heat is increased, so that the heat radiation characteristics can be improved.
また、本発明の電子部品装置によれば、本発明のヒートシンクに、電子部品を搭載してなることから、放熱特性が向上し、信頼性を向上することができる。 Moreover, according to the electronic component device of the present invention, since the electronic component is mounted on the heat sink of the present invention, the heat dissipation characteristics can be improved and the reliability can be improved.
以下、本発明のヒートシンクの実施の形態の例を説明する。 Hereinafter, examples of embodiments of the heat sink of the present invention will be described.
図1は、本実施形態のヒートシンクの一例を示す、(a)は概略的な斜視図であり、(b)はA−A’線における拡大断面図であり、(c)は同図(b)のB部の部分拡大図であり、図2,3は、図1に示す例のヒートシンクのA−A’線における他の例を示す拡大断面図である。 1A and 1B show an example of a heat sink according to the present embodiment. FIG. 1A is a schematic perspective view, FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view taken along line AA ′, and FIG. 2) is a partially enlarged view of part B, and FIGS. 2 and 3 are enlarged sectional views showing another example of the heat sink of FIG. 1 along the line AA ′.
図1に示すように、本実施形態のヒートシンク10は、発熱部材(図示しない)が載置される基体1と、基体1の発熱部材が載置される面と反対側の面に接合され、間隔をあけて複数個が配置された柱状のフィン2とを備え、フィン2は、隣り合うフィン2と対向する部位に、凹部2aおよび凸部2bのうち少なくとも一方を有している。なお、図1に示す基体1においては、図1(a)における下面が、放熱部材が載置される面となる。
As shown in FIG. 1, the
図1〜3に示すように、本実施形態のヒートシンク10,11,12は、フィン2が、隣り合うフィン2と対向する部位に、凹部2aおよび凸部2bの少なくとも一方を有することから、フィン2の放熱可能な表面積が増える。それゆえ、ヒートシンク10の放熱特性を向上することができる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the heat sinks 10, 11, and 12 of the present embodiment have fins 2 having at least one of a
ここで、図1〜3に示す例のヒートシンク10,11,12を構成する基体1のX方向,Y方
向およびZ方向の各長さは、例えば、X方向が15mm以上75mm以下、Y方向が15mm以上75mm以下、Z方向が7mm以上15mm以下である。
Here, the lengths in the X direction, the Y direction, and the Z direction of the base 1 constituting the
また、フィン2の幅および隣り合うフィン2の間隔は、例えば、それぞれ1mm以上3mm以下、0.5mm以上2mm以下である。 Moreover, the width | variety of the fin 2 and the space | interval of the adjacent fin 2 are 1 mm or more and 3 mm or less, respectively, and 0.5 mm or more and 2 mm or less, respectively.
さらに、凹部2aの深さdおよび凸部2bの高さhは、例えば、それぞれ0.05mm以上0.5mm以下である。
Furthermore, the depth d of the
ここで、図1に示すヒートシンク10においては、各フィン2が柱状の上下方向において、凹部2aと凸部2bが順に繰り返して設けられており、また図2に示すヒートシンク11においては、フィン2の一方側に、凹部2aが繰り返して設けられており、また図3に示すヒートシンク12においては、フィン2の一方側に凸部2bが繰り返して設けられている。このように、1つのフィンの中に、適宜凹部2aおよび凸部2bのうち少なくとも一方を設けることにより、フィン2の放熱可能な表面積を増やすことができることから、ヒートシンク10,11,12の放熱特性を向上することができる。なお、凹部2aや凸部2bの数は適宜設定することができる。
Here, in the
ここで、本実施形態のヒートシンクを構成するフィン2は、板状体を複数備えてなる積層体であることが好ましい。 Here, it is preferable that the fin 2 which comprises the heat sink of this embodiment is a laminated body provided with two or more plate-shaped bodies.
この板状体の厚みを薄くするとともに、凹部2aを深くしたり、凸部2bを高くしたりすることにより、フィン2の放熱可能な表面積を容易に増やせるので、ヒートシンク10,11,12の放熱特性を容易に向上することができる。
By reducing the thickness of the plate-like body and deepening the
ここで、フィン2を適宜削ったり、凸状の部材を接合したりすることで、フィン2に凹部2aおよび凸部2bのうち少なくとも一方を設けることができるが、フィン2を、板状体を複数備える積層体より構成する場合には、例えば、図1に示すヒートシンク10のように、フィン2が柱状の上下方向において、凹部2aと凸部2bとが順に繰り返して設けられている構成とするにあたっては、板状体を順にずらして積層すればよく、また図2に示すヒートシンク11や図3に示すヒートシンク12においては、大きさの異なる板状体を一方側の位置を揃えて積層すればよい。
Here, the fin 2 can be provided with at least one of the
特に、この凹部2aや凸部2bは、柱状のフィン2の高さ方向と垂直な方向における一端から他端にかけて設けられていることが好ましい。それにより、フィン2の表面積をより増加することができ、放熱特性をさらに向上することができる。なお、フィン2を、板状体を複数備える積層体より構成する場合には、各板状体を積層方向と垂直な方向における大きさを同じ大きさとして積層することにより、凹部2aおよび凸部2bのうち少なくとも一方が、板状体の積層方向と垂直な方向に、柱状のフィン2の高さ方向と垂直な方向における一端から他端にかけて設けられたフィン2を容易に作製することができる。なおこで言う一端から他端にかけてとは、図1に示すX方向のことを言う。
In particular, it is preferable that the
なお、このような板状体は、焼成後に板状体となるシートをドクターブレード法,乾式加圧成形法または粉末圧延法により容易に成形ができ、その厚みが、例えば、0.6mm以
上2mm以下であることが好ましい。
In addition, such a plate-like body can be easily formed by a doctor blade method, a dry pressure molding method or a powder rolling method, and the thickness thereof becomes, for example, 0.6 mm or more and 2 mm or less. It is preferable that
また、フィン2を構成する板状体は、フィン2の強度を維持しつつ、ヒートシンクが所望の寸法となるようにするにあたり、例えば、板状体を6層以上12層以下積層すればよい。 In addition, the plate-like body constituting the fin 2 may be formed by stacking, for example, 6 to 12 layers of plate-like bodies in order to make the heat sink have a desired size while maintaining the strength of the fin 2.
また、フィン2だけでなく、基体1も板状体を複数備える積層体として構成してもよく、この場合、上記厚みの板状体を2層以上4層以下積層すればよい。 In addition to the fins 2, the substrate 1 may also be configured as a laminate including a plurality of plate-like bodies. In this case, the plate-like bodies having the above thickness may be laminated in two or more layers and four or less layers.
図4は、図1(b)に示す例のヒートシンクのB部の他の例を示す部分拡大図である。 FIG. 4 is a partially enlarged view showing another example of the B portion of the heat sink of the example shown in FIG.
図4に示すように、隣り合うフィン2と対向する部位に凸部2bを有している場合において、凸部2bによって形成される角部2cが丸みを帯びていることが好ましく、それにより、隣り合うフィン2間における媒体が、凸部2bの角がある場合よりも、フィン2の高さ方向(図1に示すZ方向)にスムーズに流れることとなる。それにより、熱を持った媒体が滞留することを抑制できるので、媒体とフィン2との熱交換効率が向上することから、ヒートシンクの放熱特性を向上することができる。
As shown in FIG. 4, in the case where the
図5は、図1(a)に示すヒートシンクのA−A’線におけるさらに他の例を示す拡大断面図である。 FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing still another example of the heat sink shown in FIG.
図5に示すように、隣り合うフィン2同士の一部が接合部2dを介して繋がっており、接合部2dは、隣り合うフィン2間でフィン2の高さ方向に湾曲していることが好ましい。 ここで、接合部2dが上方に湾曲している場合には、放熱可能な表面積を増やすことができるほか、フィン2の下方より上方に向けて流れる媒体が渦流を発生しやすくなり、接合部2dや接合部2d近傍のフィン2を介して効率よく熱交換を行なうことができる。
As shown in FIG. 5, a part of adjacent fins 2 are connected via a joint 2 d, and the joint 2 d is curved in the height direction of the fin 2 between the adjacent fins 2. preferable. Here, when the
一方、接合部2dが下方に湾曲している場合には、放熱可能な表面積を増やすことができるほか、フィン2の下方より上方に向けて流れる媒体が、湾曲に沿って流れることとなり、接合部2dを設ける場合において、媒体の流れを阻害することを抑制できるとともに、媒体がよりフィン2と接触しやすくなることから、効率よく熱交換を行なうことができる。
On the other hand, when the
図6は、図5に示す例の接合部2dの他の例を示す部分拡大図である。 FIG. 6 is a partially enlarged view showing another example of the joint 2d in the example shown in FIG.
図6に示すように、接合部2dの表面に凹2eおよび凸2fのうち少なくとも一方を有することにより、フィン2の放熱可能な表面積をさらに増やすことができるので、ヒートシンク13の放熱特性をさらに向上することができる。
As shown in FIG. 6, the surface of the joint 2d having at least one of the concave 2e and the convex 2f can further increase the surface area of the fin 2 that can dissipate heat, thereby further improving the heat dissipation characteristics of the
ここで、図6に示す接合部2dの表面の凹2e、凸2fは、接合部2dの表面に穴形状が設けられることにより凹2fが形成されており、また球状体が接合することによって凸2fが形成されている。特に、球状体は、珪素を含むものであり、具体的には、珪素,炭化珪素,窒化珪素,炭窒化珪素,酸化珪素およびサイアロンの少なくともいずれかであることが好ましく、これらの成分は薄膜X線回折法または透過電子顕微鏡法を用いて同定することができる。
Here, the
また、穴形状および粒状体は、任意の断面において、例えば、穴形状の場合は接合部2dに沿った幅が10μm以上200μm以下であり、深さが10μm以上200μm以下、粒状体の場合は接合部2dに沿った幅が10μm以上48μm以下であり、高さが16μm以上52μm以下であることが好ましい。このような範囲であれば、媒体の流れを損なうことなく、接合部2dの表面積を増やすことができる。言い換えれば放熱可能な表面積がさらに増えた接合部2dによってもフィン2と同様の効果が得られることから、ヒートシンク13の放熱特性をさらに向上することができる。
In addition, the hole shape and the granular material have arbitrary cross-sections. For example, in the case of a hole shape, the width along the
このような穴形状の幅および深さ、粒状体の幅および高さは、光学顕微鏡を用い、倍率を100倍以上500倍以下として求めることができる。なお、凸となる箇所は、複数の粒状体
が集まって一体化したものが、接合部2dに接合されたものでもよい。
The width and depth of such a hole shape and the width and height of the granular material can be determined using an optical microscope and a magnification of 100 to 500 times. In addition, the convex part may be one in which a plurality of granules are integrated and joined to the joint 2d.
また、図7は、図5に示す例のヒートシンクのD−D’におけるさらに他の例を示す拡大断面図である。なお、図7において、凹部2aと凸部2bを明確に示すためハッチングを異ならせて示している。
FIG. 7 is an enlarged sectional view showing still another example of the heat sink D-D ′ of the example shown in FIG. 5. In FIG. 7, the hatching is shown differently in order to clearly show the
接合部2dは、図7に示すように、発熱部材が載置される方向にむけて、傾斜する傾斜面2gを有していることが好ましい。それにより、例えば、熱交換を目的として図1に示すX方向に媒体を流した際には、媒体を発熱部材が載置される基体1に向けて流れるように制御することができ、媒体と基体1との熱交換効率が向上することから、ヒートシンクの熱交換効率をさらに向上することができる。
As shown in FIG. 7, the
なお、上記に説明したように熱交換を目的として図1に示すX方向に媒体を流す場合には、図7では等間隔に接合部2dを配置しているが、媒体がヒートシンク14から出る間際(X方向の他端側)に接合部2dを有し傾斜面2gを設けても、媒体は基体1側には流れにくく、熱交換効率の向上が見込めにくいため、接合部2dを媒体が入る方向側(X方向の一端側)に多く配置しておくことが好ましい。それにより、媒体を効率よく発熱部材が載置される基体1に向けて流すことができ、熱交換効率をさらに向上することができる。
Note that, as described above, when the medium is caused to flow in the X direction shown in FIG. 1 for the purpose of heat exchange, the joining
なお、本実施形態のヒートシンクを構成するフィン2は、例えば、ダイヤモンド,アルミニウム,銅,膨張黒鉛,ガラス,樹脂またはセラミックスからなり、特に、セラミックスからなることが好ましい。 The fins 2 constituting the heat sink of the present embodiment are made of, for example, diamond, aluminum, copper, expanded graphite, glass, resin, or ceramics, and are particularly preferably made of ceramics.
ここで、セラミックスの材質としては、アルミナ,ジルコニア,窒化珪素,窒化アルミニウム,炭化珪素,炭化硼素,窒化硼素,コージェライトまたはこれらの複合物を用いることができる。 Here, as the ceramic material, alumina, zirconia, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, boron carbide, boron nitride, cordierite, or a composite thereof can be used.
特に、発熱部材が、ガリウム−アルミニウム−砒素(GaAlAs)またはインジウム−ガリウム−砒素−リン(InGaAsP)等からなる光通信用の発光ダイオード(LED)素子である場合、これらの化合物の線膨張係数は5×10−6/K程度であり、セラミックスの線膨張係数と近いことから、発光ダイオード(LED)素子をヒートシンクに搭載しても、発熱による歪みが発光ダイオード(LED)素子に生じにくくなり、ヒートシンクと発光ダイオード(LED)素子との接合部においてクラックが生じにくくなる。 In particular, when the heat generating member is a light emitting diode (LED) element for optical communication made of gallium-aluminum-arsenic (GaAlAs) or indium-gallium-arsenic-phosphorus (InGaAsP), the linear expansion coefficient of these compounds is Since it is about 5 × 10 −6 / K and is close to the linear expansion coefficient of ceramics, even if a light emitting diode (LED) element is mounted on a heat sink, distortion due to heat generation is less likely to occur in the light emitting diode (LED) element. Cracks are less likely to occur at the junction between the heat sink and the light emitting diode (LED) element.
また、フィン2をセラミックスにて作製する場合には、炭化珪素,窒化アルミニウム,窒化硼素または炭素繊維強化炭素複合材を用いることが好ましい。炭化珪素,窒化アルミニウムおよび窒化硼素は、線膨張係数が3.7×10−6/K以上6×10−6/K以下である
ことから、発光ダイオード(LED)素子を構成する化合物の線膨張係数により近くなり、発熱による歪みやクラックがさらに生じにくくなる。
Further, when the fin 2 is made of ceramic, it is preferable to use silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride, or a carbon fiber reinforced carbon composite material. Since silicon carbide, aluminum nitride, and boron nitride have a linear expansion coefficient of 3.7 × 10 −6 / K or more and 6 × 10 −6 / K or less, it depends on the linear expansion coefficient of the compound constituting the light emitting diode (LED) element. As a result, distortion and cracks due to heat generation are further less likely to occur.
なお、炭素繊維強化炭素複合材とは、粉末状炭素、内部が空洞である微細炭素繊維および熱硬化性樹脂を媒体中に分散乃至または溶解させて得られる含浸用液を、炭素繊維に含浸させた後、一方向に炭素繊維が配列するように成形し、硬化させ、焼成することによって得られる複合材であり、炭素繊維の配列する方向における熱膨張係数を3.7×10−6/
K以上6×10−6/K以下とすることができる。
The carbon fiber reinforced carbon composite material impregnates carbon fiber with a liquid for impregnation obtained by dispersing or dissolving powdered carbon, fine carbon fiber having a hollow inside, and a thermosetting resin in a medium. After that, the composite is obtained by molding, curing and firing so that the carbon fibers are arranged in one direction, and the coefficient of thermal expansion in the direction in which the carbon fibers are arranged is 3.7 × 10 −6 /
K or more and 6 × 10 −6 / K or less can be set.
さらに、放熱特性を向上させるために、上述のフィン2を形成する材料よりも熱伝導率の高い粒子および繊維の少なくともいずれかを含んでいることが好ましく、熱伝導率の高い繊維としては、ナノカーボンファイバーが特に好ましい。 Furthermore, in order to improve the heat dissipation characteristics, it is preferable to include at least one of particles and fibers having higher thermal conductivity than the material forming the fin 2 described above. Carbon fiber is particularly preferred.
なお、本実施形態のヒートシンクを構成する基体1は、フィン2を構成する材料と同じ材料により形成されることが好ましい。 In addition, it is preferable that the base | substrate 1 which comprises the heat sink of this embodiment is formed with the same material as the material which comprises the fin 2. FIG.
また、図1(a)では、Z方向に垂直な断面が矩形状であるフィンを示したが、その形状が円形状,楕円形状,多角形状または星形状等、フィン2を柱状とする際に、強度的に問題のない形状であれば何れの形状を用いても何等差し支えない。 1A shows a fin having a rectangular cross section perpendicular to the Z direction. However, when the fin 2 has a columnar shape, such as a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, or a star shape. Any shape can be used as long as it has no problem in strength.
図8は、本実施形態のヒートシンクに電子部品を搭載した電子部品装置の一例を示す概略断面図である。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electronic component device in which an electronic component is mounted on the heat sink of the present embodiment.
図8に示す例の電子部品装置20は、電子部品3と、電子部品3を搭載する回路部材4と、回路部材4を一方主面(表面)側で支持する電気絶縁性の支持基板5と、電子部品3および回路部材4を収容する筐体(パッケージ)6と、支持基板5の他方主面(裏面)側に配置されるヒートシンク10,11,12,13,14とを備えてなる。回路部材4は、例えば、2列に配置され、ろう材によって、支持基板5に接合されている。
The
本実施形態の電子部品装置20は、本実施形態の放熱特性が高いヒートシンク10,11,12,13,14に、電子部品3が搭載されている。それにより電子部品3から発せられる熱を、効率良く放熱することで、電子部品3が高熱となることを抑制でき、電子部品3の寿命を延ばすことができることから信頼性を向上することができる。
In the
特に、電子部品装置20としては、PCUなどの半導体モジュールや、高出力LED前照灯の半導体装置、直流高電圧電源装置およびスイッチング装置など作動時に高熱を発する装置として用いることが有用である。
In particular, the
次に、本実施形態のヒートシンクの製造方法の一例について説明する。 Next, an example of the manufacturing method of the heat sink of this embodiment is demonstrated.
炭化珪素からなるヒートシンクを得る場合には、まず、平均粒径(D50)が0.5μm
以上2μm以下である炭化珪素粉末に炭化硼素粉末およびリグニンカルボン酸塩の粉末を加え、ボールミル,回転ミル,振動ミル,ビーズミル等のミルで混合,粉砕して混合粉末を得る。
When obtaining a heat sink made of silicon carbide, first, the average particle size (D 50 ) is 0.5 μm.
Boron carbide powder and lignin carboxylate powder are added to silicon carbide powder having a particle size of 2 μm or less, and mixed and pulverized by a ball mill, rotary mill, vibration mill, bead mill or the like to obtain a mixed powder.
ここで、炭化硼素粉末およびリグニンカルボン酸塩の粉末のそれぞれの含有量は、炭化珪素粉末100質量%に対して、例えば、0.12質量%以上1.4質量%以下、1質量%以上3.4
質量%以下とすることが好ましい。
Here, the content of each of the boron carbide powder and the lignin carboxylate powder is, for example, from 0.12% by mass to 1.4% by mass and from 1% by mass to 3.4% with respect to 100% by mass of the silicon carbide powder.
It is preferable to set it as mass% or less.
そして、この混合粉末を、バインダ,分散剤,可塑剤および滑剤等とともに有機溶剤中で混合してスラリーを得る。 And this mixed powder is mixed in an organic solvent with a binder, a dispersing agent, a plasticizer, a lubricant, etc., and a slurry is obtained.
なお、有機溶剤としては、トルエン,エタノール,メタノール,メチルエチルケトン,トリクロロエチレンおよびメチルイソブチルケトンの少なくともいずれか1種を用いることが好ましい。 As the organic solvent, it is preferable to use at least one of toluene, ethanol, methanol, methyl ethyl ketone, trichloroethylene, and methyl isobutyl ketone.
また、バインダとしては、ポリエチレングリコール,メチルセルロース,ポリエチレングリコール,ポリビニルアルコール,ポリビニルブチラール,メタクリル酸メチル,メタクリル酸エチル,メタクリル酸ブチル,メタクリル酸イソブチル,メタクリル酸シクロヘキシル,メタクリル酸オクチル,スチレン,塩化ビニルおよび酢酸ビニルの少なくともいずれか1種を用いることが好ましく、特にはこれらの中でもポリビニルブチラールまたはメタクリル酸イソブチルを用いることが好ましい。 The binders include polyethylene glycol, methyl cellulose, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, octyl methacrylate, styrene, vinyl chloride and acetic acid. It is preferable to use at least one of vinyl, and it is particularly preferable to use polyvinyl butyral or isobutyl methacrylate.
また、バインダの添加量は、混合粉末100質量%に対して4質量%8質量%以下とする
ことが好ましい。バインダの添加量が混合粉末100質量%に対して4質量%以上8質量%
以下であれば、成形体の強度や可撓性が良好で、また、バインダの脱脂を容易にすることができる。
Moreover, it is preferable that the addition amount of a binder shall be 4 mass% 8 mass% or less with respect to 100 mass% of mixed powder. The amount of binder added is 4 to 8% by mass with respect to 100% by mass of the mixed powder.
If it is below, the strength and flexibility of the molded body are good, and the binder can be easily degreased.
また、窒化アルミニウムからなるヒートシンクを得る場合には、まず、気体吸着BET法による比表面積が2.0m2/g以上3.0m2/g以下であり、50MPaの圧力下における一軸加圧成形密度が1.65g/cm3以上1.80g/cm3以下である、平均粒径(D50)が、例えば、1μm以上2μm以下の窒化アルミニウム粉末に、アルカリ土類金属酸化物の粉末および希土類元素酸化物の粉末を加え、ボールミル,回転ミル,振動ミル,ビーズミル等のミルで混合,粉砕して混合粉末を得る。 Also, when obtaining a heat sink made of aluminum nitride, first, the specific surface area by gas adsorption BET method is 2.0 m 2 / g or more and 3.0 m 2 / g or less, and the uniaxial pressure molding density under a pressure of 50 MPa is 1.65. g / cm 3 or more 1.80 g / cm 3 or less, an average particle diameter (D 50), for example, the 2μm or less of the aluminum nitride powder or 1 [mu] m, an alkaline earth metal oxide powder and the rare earth element oxide powder And mixed and pulverized in a ball mill, rotary mill, vibration mill, bead mill or the like to obtain a mixed powder.
ここで、アルカリ土類金属酸化物の粉末および希土類元素酸化物の粉末の含有量の合計は、窒化アルミニウム粉末100質量%に対して、例えば、1質量%以上10質量%以下とす
ることが好ましい。
Here, the total content of the alkaline earth metal oxide powder and the rare earth element oxide powder is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to 100% by mass of the aluminum nitride powder. .
そして、スラリーは、上述した炭化珪素からなるヒートシンクを得る場合と同じ方法によって得られる。 And a slurry is obtained by the same method as the case where the heat sink which consists of silicon carbide mentioned above is obtained.
次に、これらのスラリーを用いてセラミックスの一般的な成形法であるドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを形成し、金型による打ち抜加工またはレーザー光による切断加工によって所定形状とする。 Next, using these slurries, a ceramic green sheet is formed by a doctor blade method, which is a general method of forming ceramics, and formed into a predetermined shape by punching with a mold or cutting with a laser beam.
図9は、本実施形態のヒートシンクを構成するフィンとなるセラミックグリーンシートの平面図である。 FIG. 9 is a plan view of a ceramic green sheet serving as a fin constituting the heat sink of the present embodiment.
図9に示すように、セラミックグリーンシート30を積層して焼成した後にヒートシンクのフィン2となる部分は、間隔をあけて複数個が配置された柱状のフィンとなるように開口部31を形成してある。言い換えれば開口部31が、隣接するフィン2の間(空間)となる。
As shown in FIG. 9, after the ceramic
基体1およびフィン2を、板状体を複数備える積層体より構成する場合には、上述のようにして製作した複数のセラミックグリーンシート30のうち、フィン2となるセラミックグリーンシート30を基体1となるセラミックグリーンシートに積層し、隣り合うフィン2と対向する部位に、凹部2aおよび凸部2bのうち少なくとも一方を有するように位置を調整して積層する。なお、それぞれのセラミックグリーンシート30の接合面には、予め、セラミックグリーンシート30を製作するときに用いたバインダと同じバインダを密着液として塗布し、積層した後に、平板状の加圧具を介して0.5MPa程度の加圧を加え、その
後に、約50〜70℃で約10〜15時間乾燥させる。
When the base body 1 and the fins 2 are formed of a laminated body having a plurality of plate-like bodies, the ceramic
また、図4に示したような、凸部2bによって形成される角部2cが丸みを帯びるためには、セラミックグリーンシートを所定形状に加工する際に用いる金型をパンチの端部が丸みを帯びた形状の金型として、セラミックグリーンシートに押し当てて形成したり、レーザー光の出力および焦点の位置を調整することによって、セラミックグリーンシート30の加工された端部が丸みを帯びた形状とすることができ、これらのセラミックグリーンシート30を積層することによって得ることができる。
In addition, in order to round the
また、図10は、本実施形態のヒートシンクを構成する図5の接合部となるセラミックグリーンシートの他の例を示す(a)は平面図であり、(b)は同図(a)のE−E’線における断面図である。 10A and 10B show another example of the ceramic green sheet that constitutes the joint of FIG. 5 that constitutes the heat sink of the present embodiment. FIG. 10A is a plan view, and FIG. 10B is an E diagram of FIG. It is sectional drawing in the -E 'line.
図10(b)に示すように、あらかじめ湾曲した湾曲箇所33を設けたセラミックグリーンシート32と、図9に示すような間隔あけて複数個の柱状のフィンとなるように開口部31を所定形状に加工を施したセラミックグリーンシート30を積層する、すなわち開口部31と湾曲箇所33とを一致するように積層することによって、図5のような、湾曲した接合部2dを設けることができる。なお、セラミックグリーンシートを湾曲させる方法としては、例えば、湾曲面を施した治具を2つ作製し、セラミックグリーンシート32を挟み込むことによって、セラミックグリーンシート32に湾曲箇所33を設けることができる。また、接合部2dが必要となる箇所のみをあらかじめ湾曲させて湾曲箇所33を設けた箇所以外は、所定形状に加工を施してもよい。
As shown in FIG. 10B, the ceramic
また、接合部2dの表面に凹2eや凸2fを設けるには、図10の湾曲箇所33となる部分に、あらかじめ穴加工を施すか、珪素を含む顆粒または敷粉等の多数の粉粒体を載置すればよい。穴加工を施す方法は、例えば、レーザー光、マシニング加工、ブラスト加工などがあるが、他には、突起部を施した治具を2つ作製し、セラミックグリーンシート32を挟み込むことによって、セラミックグリーンシート32に穴形状を設け凹2eとなる部分を得ることができる。また、凸2fとなる粉粒体を載置する方法は、篩い等を用いて振り掛ける、または粉粒体に溶媒等を加えてスラリーとし、刷毛やローラ等を用いて塗布してもよい。なお、ここで用いる粉粒体を構成する粉末は、例えば、炭化珪素または炭窒化珪素の粉末と、添加成分としてのグラファイトの粉末および炭化硼素(B4C)の粉末、あるいは、珪素の粉末,窒化珪素の粉末,酸化珪素の粉末およびサイアロンの粉末の少なくともいずれかと、添加成分としての酸化マグネシウム(MgO)および酸化カルシウム(CaO)の粉末の少なくともいずれかならびに希土類元素の酸化物の粉末である。ここで、セラミックグリーンシート32の湾曲箇所33に載置する顆粒とは、例えば上記粉末を混合し粉砕してスラリーとし、噴霧乾燥機で乾燥させたものであり、敷粉とは、上記粉末を用いて焼成した焼結体を粉砕したもの等である。
Further, in order to provide the
また、図11は、本実施形態のヒートシンクを構成する図5の接合部となるセラミックグリーンシートの他の例を示す(a)は平面図であり、(b)は同図(a)のE−E’線における断面図である。 11A and 11B show another example of the ceramic green sheet that constitutes the joining portion of FIG. 5 that constitutes the heat sink of the present embodiment. FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is an E diagram of FIG. It is sectional drawing in the -E 'line.
図7に示したような、接合部2dが、発熱部材が載置される方向にむけて、傾斜する傾斜面2gを有するためには、図11に示したような、傾斜部35aを設けた湾曲箇所35および開口部36の加工を施したセラミックグリーンシート34を用いればよい。図9に示すようなセラミックグリーンシート30と、図11に示したようなセラミックグリーンシート34とを積層することによって、図7に示したヒートシンク14のフィン2および傾斜面2gを有する接合部2dを作製することができる。なお、傾斜部35aは湾曲させたセラミックグリーンシートに対し、図9のセラミックグリーンシートと同じ方法で開口部36を施した後に、開口部36の端部をレーザー加工、ブラスト加工やマシニング加工による切削加工によって傾斜部35aを設ければよい。
In order for the joint 2d as shown in FIG. 7 to have the
なお、セラミックグリーンシートは、必要に応じて、窒素雰囲気中、10〜40時間で昇温し、450〜650℃で2〜10時間保持した後、自然冷却して脱脂すればよい。 The ceramic green sheet may be heated in a nitrogen atmosphere for 10 to 40 hours, held at 450 to 650 ° C. for 2 to 10 hours, and then naturally cooled and degreased as necessary.
そして、セラミックグリーンシートが炭化珪素からなる場合には、例えば、不活性ガスの雰囲気中または真空雰囲気中で、1800〜2200℃の温度範囲で10分〜10時間保持した後、2200〜2350℃の温度範囲で10分〜20時間保持することによって、相対密度が90%以上のセラミック焼結体とすることができる。 When the ceramic green sheet is made of silicon carbide, for example, in an inert gas atmosphere or in a vacuum atmosphere, the temperature is maintained at 1800-2200 ° C for 10 minutes to 10 hours, and then 2200-2350 ° C. By holding for 10 minutes to 20 hours in the temperature range, a ceramic sintered body having a relative density of 90% or more can be obtained.
なお、不活性ガスについては特に限定されるものではないが、2000℃以上で保持する場
合には炭化硼素の分解が生じるので、アルゴンまたはヘリウムを用いることが好ましい。
The inert gas is not particularly limited, but it is preferable to use argon or helium because boron carbide decomposes when kept at 2000 ° C. or higher.
また、セラミックグリーンシートが窒化アルミニウムからなる場合には、例えば、窒素雰囲気中または窒素および水素の混合雰囲気中で、焼成温度が1500〜1900℃の範囲で5時間から20時間保持することによって、相対密度が90%以上のセラミック焼結体とすることができる。 When the ceramic green sheet is made of aluminum nitride, for example, in a nitrogen atmosphere or a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen, the firing temperature is maintained in the range of 1500 to 1900 ° C. for 5 to 20 hours. A ceramic sintered body having a density of 90% or more can be obtained.
また、焼成の温度および時間は、セラミックグリーンシートの積層体の厚みや体積に応じて適宜設定すればよい。 Further, the firing temperature and time may be appropriately set according to the thickness and volume of the ceramic green sheet laminate.
また、ヒートシンク13,14のように接合部2dを設ける場合、焼成時のフィン2の変形を抑えることができ、隣接するフィン同士が変形することによって接触することを防ぐことができるので、製造上の歩留まりを向上することができる。
Further, when the
上述した方法で得られたセラミック焼結体の外辺を研削加工等で削除することにより図1〜7に示すようなヒートシンクとすることができる。 By removing the outer side of the ceramic sintered body obtained by the above-described method by grinding or the like, a heat sink as shown in FIGS.
なお、上述においては、セラミックグリーンシートをドクターブレード法を用いて成形する場合を示したが、炭化珪素からなるヒートシンクを得るにあたり、セラミックグリーンシートを乾式加圧成形法または粉末圧延法を用いて成形する場合には、まず、平均粒径(D50)が0.5μm以上2μm以下である炭化珪素粉末に水,分散剤,炭化硼素粉末,
リグニンカルボン酸塩の粉末を加え、ボールミル,回転ミル,振動ミル,ビーズミル等のミルで混合,粉砕し、スラリー化する。このスラリーにメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース類やその変成品、糖類、澱粉類、デキストリンやこれらの各種変成品、ポリビニルアルコール等の水溶性各種合成樹脂や酢酸ビニル等の合成樹脂エマルジョン、リグニンスルホン酸ソーダ,アラビアゴム,カゼイン,アルギン酸塩,グルコマンナン,グリセリン,ソルビタン脂肪酸エステル等を添加,混合した後、噴霧乾燥すればよい。
In the above description, the case where the ceramic green sheet is formed using the doctor blade method is shown. However, in order to obtain the heat sink made of silicon carbide, the ceramic green sheet is formed using the dry pressure forming method or the powder rolling method. In the case of conducting, first, water, a dispersant, boron carbide powder, silicon carbide powder having an average particle diameter (D 50 ) of 0.5 μm or more and 2 μm or less,
Add lignin carboxylate powder, mix and grind in a ball mill, rotary mill, vibration mill, bead mill, etc. to make a slurry. In this slurry, celluloses such as methylcellulose and carboxymethylcellulose and modified products thereof, sugars, starches, dextrins and various modified products thereof, various water-soluble synthetic resins such as polyvinyl alcohol, synthetic resin emulsions such as vinyl acetate, lignin sulfonic acid Soda, gum arabic, casein, alginate, glucomannan, glycerin, sorbitan fatty acid ester and the like may be added and mixed, and then spray dried.
ここで、炭化硼素粉末,リグニンカルボン酸塩の粉末のそれぞれの含有量は、炭化珪素粉末100質量%に対して、例えば、0.12質量%以上1.4質量%以下、1質量%以上3.4質量
%以下とすることが好ましい。
Here, the content of each of the boron carbide powder and the lignin carboxylate powder is, for example, 0.12% by mass to 1.4% by mass and 1% by mass to 3.4% by mass with respect to 100% by mass of the silicon carbide powder. It is preferable to do.
また、噴霧乾燥の前にASTM E11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシュの篩いに通すことによって、粗大な不純物やゴミを除去し、さらに磁力を用いた除鉄機で除鉄するなどの方法で、鉄およびその化合物を除去することが好ましい。 In addition, before spray drying, coarse impurities and dust are removed by passing through a sieve having a particle size number of 200 described in ASTM E11-61 or a mesh finer than this mesh, and further using a magnetic force. It is preferable to remove iron and its compound by a method such as removing iron with an iron machine.
得られたセラミックス顆粒は、乾式加圧成形法または粉末圧延法を用いて成形することにより、相対密度が45%以上70%以下のセラミックグリーンシートとすることができる。 The obtained ceramic granules can be formed into a ceramic green sheet having a relative density of 45% or more and 70% or less by molding using a dry pressure molding method or a powder rolling method.
そして、金型による打ち抜き加工またはレーザー光による切断加工を用いて所定形状とした後は、上述した製造方法と同じ方法でヒートシンクを得ることができる。 And after making into a predetermined shape using the punching process by a metal mold | die, or the cutting process by a laser beam, a heat sink can be obtained with the same method as the manufacturing method mentioned above.
また、上述した製造方法により得られたヒートシンクを、回路部材4を介して電子部品3を搭載する支持基板5の裏面にシリコングリス等の接合剤を用いて接合することで、本実施形態の電子部品装置20とすることができる。
In addition, the heat sink obtained by the above-described manufacturing method is bonded to the back surface of the support substrate 5 on which the electronic component 3 is mounted via the circuit member 4 by using a bonding agent such as silicon grease. The
1:基体
2:フィン
2a:凹部
2b:凸部
2c:角部
2d:接合部
2e:接合部の凹
2f:接合部の凸
2g:傾斜面
3:電子部品
4:回路部材
5:支持基板
6:筐体(パッケージ)
10,11,12,13,14:ヒートシンク
20:電子部品装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Base | substrate 2:
10, 11, 12, 13, 14: heat sink
20: Electronic component equipment
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WO2017195270A1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | 三菱電機株式会社 | Heat sink |
US11448557B2 (en) | 2016-02-18 | 2022-09-20 | Mitsubishi Electric Corporation | Method and device for determining junction temperature of die of semiconductor power module |
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- 2012-11-28 JP JP2012259924A patent/JP2013138193A/en active Pending
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